CC BY
19
УДК 62-533.7 Степанов Максим Александрович,
аспирант кафедры «Механика и приборостроение», Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел.: (3952) 638-343, ж.д.: 338-343, e-mail: Stepanov_MA@irgups.ru
Степанов Александр Петрович, к. т. н., доцент, декан факультета «Системы обеспечения транспорта» Иркутский государственный университет путей сообщения, тел.: (3952) 638-338, ж.д.: 338-338, e-mail: stap@irgups.ru
АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ
ЭЛЕКТРОСВАРКИ МЕТАЛЛОВ
M. A. Stepanov, A. P. Stepanov
AUTOMATIC MONITORING SYSTEM AND PROCESS MANAGEMENT OF ELECTRIC WELDING OF METALS
Аннотация. Представлен новый способ контроля и управления процессом электросварки металлов на основе анализа и использования частотного спектра тока электросварки металлов. Способ относится к области электромашиностроения и может быть использован при создании высококачественных систем контроля и управления технологическими процессами, связанными с электросваркой металлов. Способ позволяет учитывать различное сочетание характерных параметров (длины дуги, формы и силы тока, марки электрода, его диаметра и др.) процесса выполнения сварочных работ с участием различных материалов. Суть способа заключается в том, что с помощью измерительно-вычислительных средств получают спектр тока электросварки в реальном масштабе времени, из которого вычитают гармоники, связанные с источником питания электрической дуги. Полученный таким образом спектр тока практически мгновенно характеризует параметры электрической дуги электросварки. Выделенный спектр тока используется для создания эталонных спектров для конкретных марок электродов и свариваемых металлов при оптимальных технологических условиях сварки. Эталонные спектры в дальнейшем могут использоваться для контроля и оптимального управления процессом электросварки в реальном масштабе времени с помощью систем регулирования, работающих с оператором или в автоматическом режиме. В работе приведена одна из возможных структурных схем реализации способа.
Ключевые слова: электросварка, качество, управление, контроль.
Abstract. We consider a new way of monitoring and process management of electric welding of metals based on the analysis and use of the frequency spectrum of the current of electric welding of metals. The method relates to the field of electrical engineering and can be used to create high-quality management and control systems of technological processes associated with electric welding of metals. The method takes into account the different combinations of the characteristic parameters of the welding process to work with different materials (arc length, shape and strength of the current brand of the electrode, its diameter, and others). The essence of the method lies in the fact that by using the measuring and computing means, electric welding current spectrum is obtained in real time from which the harmonics associated with the power source of the electric arc are subtracted. The thus obtained current spectrum almost instantaneously characterizes the parameters of the electric arc welding. The dedicated spectrum of the current is used to create reference spectra for specific brands of electrodes and weld metal with optimum process conditions of welding. The reference spectra then can be used for monitoring and optimal management of electric welding in real-time by control systems working with an operator or automatically. The work shows one of the possible structural diagrams of the process.
Keywords: electric welding, quality, management, control.
Автоматизация контроля и управления процессом электросварки металлов в промышленности является важным элементом в повышении эффективности сварочных работ, надёжности и безопасности объектов сварки. В настоящее время основным диагностическим приемом проверки качества электросварки металлов является проверка швов после их получения, что при больших объемах и продолжительности сварочных работ приводит к существенным материальным и временным затратам. Практика выбора и реализации режимов электросварки учитывает в каждом частном случае различные формы сочетания характерных параметров процесса (длина дуги, форма и сила тока, марка и диаметр электрода и т. п.), в основе выбора которых лежит богатый опыт выполнения сварочных работ с участием различных материалов [1]. При всём многообразии способов и приемов электросварки металлов им присущ общий недостаток - это отсутствие обобщенной мгновенной оценки качества электросварки непо-
средственно в процессе электросварки. Отклонение процесса электросварки от заданного оптимального процесса приводит к ухудшению качества результатов работы.
Рассмотрим новый способ [2], который позволяет устранить указанные проблемы. Способ контроля и управления процессом электросварки металлов даёт возможность мгновенно проводить оценку качества процесса электросварки, позволяет управлять процессом электросварки в реальном масштабе времени. Сущность способа заключается в использовании способности частотного спектра электрического тока электросварки интегрально характеризовать процесс электросварки. Нормальный процесс электросварки металлов вытекает из цели достижения требуемого качества сварки, следовательно, обобщенная оценка процесса электросварки однозначно связана с качеством сварки. Сварочный ток и напряжение дуги, образованной любым сварочным источником питания, электродом и
свариваемым металлом, связаны между собой нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ), присущей только этой дуге. Следовательно, по ВАХ можно судить о состоянии электрической дуги. При разных условиях электросварки рабочая точка находится на соответствующих участках ВАХ. Подавая на электрод, например, синусоидальное напряжение, ток электросварки будет несинусоидальным в силу нелинейности ВАХ, следовательно, в его спектре появляются высшие гармоники, зависящие от положения рабочей точки на ВАХ дуги [3, 4]. Для достижения требуемого качества электросварки материалов необходимо создать и выдерживать определенный процесс электросварки. К этому стремятся производители сварочного оборудования, а также система подготовки персонала. При заданном источнике питания [5], электроде и материале, длине дуги, величине тока сварки выбранный требуемый процесс сварки будет характеризоваться своей рабочей точкой на ВАХ и, следовательно, соответствующим спектром тока сварки. Из полученного спектра тока исключаются гармоники, связанные с источником питания, оставшиеся гармоники спектра будут характеризовать данную дугу и, следовательно, процесс электросварки, обеспечивающий требуемое качество. Проводя оптимальные процессы электросварки и сохраняя спектры процессов, обеспечивающих требуемое качество, создают базу эталонных спектров для каждого сварочного источника питания. Эталонный спектр в дальнейшем используется как образец выбранного процесса электросварки, отклонения от которого позволяют контролировать реальный процесс и вносить соответствующие коррективы для уменьшения рассогласования между эталонным и реальным спектрами сварочного тока в целях приближения реального процесса электросварки к эталонному. Современная цифровая аппаратура и вычислительная техника позволяют практически мгновенно снимать и обрабатывать информацию о форме кривой сварочного тока, в частности получать спектр, показывать его на экране мониторов, вырабатывать и реализовывать управляющие воздействия. Во временном процессе электросварки при съёме и обработке информации соблюдается теорема Котельникова, поэтому можно говорить о практически мгновенной оценке процесса электросварки, что позволяет его контролировать, образовывать обратные связи для регулирования, например изменять длину сварочной дуги, силу и форму сигнала тока.
Были проведены исследования на основе экспериментов с использованием типовых сварочных аппаратов для ручной дуговой сварки метал-
лов марки ВДМ1001 (постоянный ток), марки ТД 300 (переменный ток), марки Са^ (производство фирмы Б8ЛБ, импульсный ток) и цифрового двухканального осциллографа марки DSO 3202А (производство фирмы AgilentTechnologies) для снятия кривых тока электросварки и падения напряжения на дуге с мгновенным получением их спектров. Часть результатов экспериментов приведены на рис. 1-9.
Сварка велась постоянным током (выходное напряжение с трансформатора выпрямляется и подается на электрод через балластное сопротивление, рис. 1-3). При коротком замыкании электрода на металл (без образования дуги) спектр тока характеризует источник питания (рис. 1). При тех же начальных условиях, сравнивая работу двух сварщиков (с малым опытом работы, рис. 2, и с большим опытом работы, рис. 3) по спектрам тока видно, что у обоих сварщиков появились колебания с наименьшей частотой около 10 Гц (маркер А), связанные с колебаниями их электродов. Кроме того, у сварщика с малым опытом работы доля высших гармоник значительно больше, чем у опытного сварщика. Отсюда видно, что колебание длины дуги находит отражение в спектре сварочного тока. Если спектр опытного сварщика принять за эталонный (оптимальный), рис. 3, то, сравнивая его со спектром рис. 2, можно судить о качестве процесса сварки, в частности о качестве шва.
Результаты экспериментов электросварки переменным током представлены на рис. 4-6. На рис. 4 показан спектр тока короткого замыкания, характеризующий сварочный трансформатор, в частности спектр этого тока связан с намагниченностью стального сердечника трансформатора для выбранного значения тока. В дальнейшем гармоники спектра тока короткого замыкания исключаются из спектров сварочного тока при разных условиях сварки, которые, согласно рис. 5 и 6, несут информацию о режимах сварки. В частности, смена электрода марки МРЗ (рис. 5) на электрод марки МНЧ (рис. 6) дает отличные спектры сварочного тока, т. е. можно создавать эталонные спектры для соответствующих электродов и режимов электросварки.
Источник питания для сварки импульсным током дает форму кривой тока короткого замыкания с более широким спектром гармоник (рис. 7), чем в предыдущих опытах с другими источниками питания. При электросварке на спектр тока влияет не только тип электрода (что было отмечено выше), но и его диаметр при прочих равных условия (рис. 8 и рис. 9).
У
а) ось X: 5 мс/дел; Ось Y: 10 В/дел б) ось Х: 500 Гц/дел; ось Y: 2 В/дел
Рис. 1. Источник питания для сварки постоянным током. Короткое замыкание источника питания, электрод марки МРЗ диаметром 4 мм, ток 125А. а) осциллограмма напряжения пропорционального току короткого замыкания
источника питания, б) спектр тока короткого замыкания
а) ось X: 50 мс/дел; ось Y: 20 В/дел
б) ось Х: 50 Гц/дел; ось Y: 4 В/дел
Рис. 3. Источник питания для сварки постоянным током. Сварщик с большим опытом работы. Режим сварки, электрод марки МРЗ диаметром 4 мм, ток 125А. а) осциллограмма напряжения, пропорционального току дуги
электросварки, б) спектр тока дуги электросварки
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
А
а) ось X: 10 мс/дел; ось Y: 20 В/дел
б) ось Х: 250 Гц/дел; ось Y: 4 В/дел
Рис. 4. Источник питания для сварки переменным током. Короткое замыкание источника питания, электрод марки МРЗ диаметром 4 мм, ток 100 А. а) осциллограмма напряжения, пропорционального току короткого замыкания
источника питания, б) спектр тока короткого замыкания
А В
СиГЙ=50.00Нг СигВ= 270.0Нг
■мм :м м 1111 1М1 1111 11М 1111 1111 1111 1 1 1 1 1111 мм-
1 1 . .
I
а) ось X: 10 мс/дел; ось Y: 20 В/дел
б) ось Х: 250 Гц/дел; ось Y: 4 В/дел
Рис. 5. Источник питания для сварки переменным током. Режим электросварки, электрод марки МРЗ диаметром 4 мм, ток 100 А. а) осциллограмма напряжения, пропорционального току электросварки, б) спектр тока электросварки А В
Масштаб: канал 1: ось X: 10 мс/дел; ось Y: 50 В/дел; канал 2: ось X: 10 мс/дел; ось Y: 50 В/дел; спектр канала 1: ось Х: 250 Гц/дел; ось Y: 10 В/дел.
Рис. 6. Источник питания для сварки переменным током. Режим электросварки, электрод марки МНЧ диаметром 4 мм, ток 100 А. 1 - осциллограмма напряжения, пропорционального току электросварки, 2 - осциллограмма падения напряжения на дуге, т - спектр тока электросварки
Информатика, вычислительная техника и управление
Масштаб: осциллограмма: ось X: 5 мкс/дел; ось Y: 5 В/дел; спектр: ось Х: 500 кГц/дел; ось Y: 1 В/дел.
Рис. 7. Источник питания для сварки импульсным током. Режим короткого замыкания, электрод МР3 диаметром 4 мм, ток 100 А. 1 - осциллограмма напряжения, пропорционального току короткого замыкания,
т - спектр тока электросварки
Масштаб: канал 1: ось X: 5 мкс/дел; ось Y: 5 В/дел; канал 2: ось X: 5 мкс/дел; ось Y: 5 В/дел; спектр канала 1: ось Х: 500 кГц/дел; ось Y: 1 В/дел.
Рис. 8. Источник питания для сварки импульсным током. Режим электросварки, электрод марки МРЗ диаметром 4 мм, ток 100 А. 1 - осциллограмма напряжения, пропорционального току электросварки, 2 - осциллограмма падения напряжения на дуге, т - спектр тока электросварки
Масштаб: канал 1: ось X: 5 мкс/дел; ось У: 5 В/дел; канал 2: ось X: 5 мкс/дел; ось У: 5 В/дел.
Рис. 9. Источник питания для сварки импульсным током. Режим электросварки, электрод марки МРЗ диаметром 3 мм, ток 100 А. 1 - осциллограмма напряжения, пропорционального току электросварки, 2 - осциллограмма падения напряжения на дуге, т - спектр тока электросварки
Выводы
Таким образом, для конкретных источников питания электрической дуги, выбранного режима сварки (длины дуги, формы и силы тока), пар «электрод - материал» экспериментально создаётся эталонная база частотных спектров, характеризующих оптимальный процесс электросварки пар свариваемого материала разнообразного сочетания, что в дальнейшем позволяет контролировать процесс электросварки и управлять им в реальном масштабе времени на различных объектах сварки. Критерии оптимальности процесса электросварки
устанавливаются в зависимости от поставленных целей.
Согласно блок-схеме показанной на рис. 10, реализация способа осуществляется системой автоматического управления, которая, используя эталонную базу частотных спектров оптимального процесса электросварки, контролирует протекание процесса в реальном масштабе времени и задает режим его осуществления.
В управляющей цепи устройства предусмотрена возможность визуального контроля процесса сварки и ручной настройки оптимальных
Рис. 10. Структурная схема устройства для реализации способа контроля и управления процессом электросварки. 1 - блок управления источником питания дуги; 2 - сварочное оборудование с объектом сварки (источник питания, электрод, металл); 3 - компьютер с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями; 4 - оператор, обслуживающий оборудование; 5 - блок оптимизации системы автоматического управления (САУ), функционально
входит в блок 3
Информатика, вычислительная техника и управление
ш
режимов работы сварочного оборудования (блок 4), что обеспечивает в том числе и процесс обучения обслуживающего персонала.
В устройстве способ реализуется по следующему алгоритму. Со сварочного оборудования (блок 2) снимаются аналоговые сигналы сварочного тока í (1). С помощью быстрого преобразования Фурье получают спектр сигнала тока ^п], где п = 1, 2, 3... - номера гармоник (блок 3).
Из гармоник тока удаляются гармоники, связанные с источником питания электрической дуги (получают заранее по режиму короткого замыкания). Полученный спектр тока ^к] характеризует электрическую дугу в реальном масштабе времени, где к - номера соответствующих гармоник. Оператор по виду отклонения спектра ^к] от эталонного принимает решение по управлению процессом сварки (блоки 4 и 1). Блок 5 системы САУ реализует предыдущие пункты в автоматиче-
ском режиме с оптимизацией процесса электросварки по выбранным критериям.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сварка. Резка. Контроль : справ. / под ред. Н.П. Алёшина. М. : Машиностроение, 2005. 437с.
2. Пат. №2319586 Российская Федерация, RU 2 319 586 С2, МПК В23К 9/10 (2006.01). Способ контроля и управление процессом электросварки. /Степанов А.П., Милованов А.И., Черняк С.С., Саломатов В.Н., Лопатин М.В., Степанов М.А., Бутаков В.Ф.; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщен. № 2005136650/02, заявл. 24.11.2005, опубл. 20.03.2008, Бюл. №8. 9 с.
3. Гольдман С. Гармонический анализ, модуляция и шумы. М. : Изд-во иностр. лит., 1951. 408 с.
4. Основы теории цепей / Зевеке Г.В. и др.. М. : Энер-гоатомиздат, 1989. 528 с.
5. Антонюк Д. Источники питания для сварки. За-порiжжя : Запор1зький нацюн. ун-т, 2002.
УДК 681.51 Ульянов Александр Дмитриевич,
аспирант, Братский государственный университет, тел. 89501093396, e-mail: coberul@gmail.com
СТРУКТУРНАЯ И ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА РАЗГОНА ГИДРОГЕНЕРАТОРА СО СЛОЖНЫМ УПРАВЛЯЮЩИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ
A. D. Ulyanov
HYDROGENERATOR WITH A COMPLEX CONTROL ACTION ACCELERATION PROCESS STRUCTURAL AND PARAMETRIC IDENTIFICATION
Аннотация. Приводится анализ результатов исследования динамики разгона гидрогенератора Братской ГЭС со сложным управляющим воздействием. Основное внимание уделяется точности идентификации экспериментальных переходных характеристик разгона как необходимому условию обеспечения требуемой глубины и достоверности формируемого диагноза. Для проведения более точной и глубокой идентификации и получения более точных результатов были использованы интеграл Дюамеля и метод оптимизационной идентификации. Показано, что проведение структурной и параметрической идентификации не только позволяет перейти от сложного управляющего воздействия к использованию стандартного ступенчатого воздействия, но и повышает точность идентификации. Получены графики зависимостей структурных параметров передаточных функций от погрешности идентификации. При расчете или экспериментальном определении структурных параметров гидрогенератора можно непосредственно по данным графикам определить интегральную ошибку идентификации. Приведенный анализ носит прикладной характер, поскольку может быть использован для идентификации любых инерционных промышленных объектов с запаздыванием.
Ключевые слова: идентификация, диагностика, гидрогенератор, Братская ГЭС.
Abstract. The Bratsk HPP hydrogenerator with a complex control action acceleration dynamics study results analysis is given. Our attention is focuses on the acceleration experimental transient precondition identification accuracy as a necessary condition for the desired depth and credibility generated diagnosis. For a more accurate and profound identification and to obtain more accurate results, Duhamel integral and optimization identification method were used. It is shown that the structural and parametric identification allows us to go from the complex action to a standard step action and also improves the accuracy of identification. Transfer function structural parameters dependence on identification errors plots are obtained. When calculating or determinating experimentally structural parameters of hydraulic generator, identification integral error can be directly determined according to the chart. This analysis can be used to identify any inertial industrial facilities with delay.
Keywords: identification, diagnosis, hydraulic generator, Bratsk hydroelectric plant.
Введение
В современных системах автоматического управления (САУ) перспективным является управление, в котором управляющие воздействия служат для обеспечения требуемого качества
с учетом непрерывной идентификации и диагностики объектов. Например, дуальное управление, предложенное и обоснованное А. А. Фельдбаумом в начале 70-х годов прошлого столетия, применяется в САУ в том случае, когда априорная инфор-
